Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lượng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Nông nghiệp I Hoàng Minh Thuận Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Hà Nội - 2004 - 1 - Bộ giáo dục và đào tạo Trờng Đại học Nông nghiệp I Hoàng Minh Thuận Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Cơ khí Nông nghiệp Mã số: 4 18 01 Ngời hớng dẫn khoa học: TS. Đào Quang Kế Hà Nội - 2004 - 2 - lời cam đoan. - Tôi xin cam đoan rằng tất cả các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này đều đợc thực nghiệm và kiểm tra đánh giá trung thực, không có trong bất cứ tài liệu nào và và cha hề đợc sử dụng để bảo vệ một học vị nào. - Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho viêc thực hiện luận văn này đã đợc cảm ơn; mọi thông tin đợc sử dụng trong luận văn nếu sử dụng tài liệu nào thì đều đợc trích dẫn đầy đủ và chỉ rõ nguồn gốc . Tác giả luận văn Hoàng Minh Thuận - 3 - Lời cảm ơn. Để hoàn thành luận văn này, đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn ts. Đào Quang Kế, Bộ môn Công nghệ Cơ khí , Khoa Cơ - Điện , Trờng Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội đã trực tiếp hớng dẫn tôi thực hiện và hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy, cô giáo trong Bộ môn Công nghệ Cơ khí; các thầy cô trong Khoa Cơ - Điện, Trờng Đại học Nông nghiệp I - Hà Nội đã tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này . Tôi xin cảm ơn các cán bộ ở Viện Nghiên Cứu Cơ Khí - Bộ Công Nghiệp đã hớng dẫn hoàn chỉnh và giúp đỡ các tài liệu nghiên cứu đề tài. Ngời thực hiện Hoàng Minh Thuận - 4 - Danh mục các hình vẽ, bảng và ảnh Hình 1.1. ảnh hởng của nhiệt độ đến hệ số khuếch tán Hình 3.1. Hệ toạ độ cầu của chất điểm Hình 3.2. Sự thay đổi thế năng theo khoảng cách nguyên tử Hình 3.3. Ô mạng lập phơng thể tâm Hình 3.4. Ô mạng lập phơng tâm mặt Hình 3.5. Ô mạng lập phơng xếp chặt Bảng 3.1. Hệ số mật độ và hệ số phối trí của ô mạng tinh thể Hình 3.6. Sự phụ thuộc của chiều sâu lớp khuếch tán vào nhiệt độ, thời gian và nồng độ Hình 3.7. ảnh hởng của khuếch tán đến nồng độ và chiều sâu lớp thấm Hình 3.8. Sự phân bố nguyên tố khuếch tán trong lớp thấm khi hai nguyên tố hoà tan vô hạn vào nhau ở trạng thái rắn Hình 3.9. a) Giản đồ trạng thái hai nguyên A B; b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp khuếch tán. Hình 3.10. a) Giản đồ trạng thái; b) Sự thay đổi nồng độ nguyên B trong lớp thấm. Hình 3.11. Sơ đồ biểu thị các cơ chế khuếch tán Hình 3.12. Sự phụ thuộc của hệ số khuếch tán D vào nhiệt độ Hình 3.13. Sự phụ thuộc của chiều dày lớp thấm vào thời gian của quá trình Hình 3.14. Giản đồ pha Fe N Bảng 3.2. Hệ số khuếch tán của nitơ trong các pha khi thấm nitơ Bảng 3.3. Độ phân huỷ amôniăc (NH 3 ) phụ thuộc vào nhiệt độ Hình 3.15. Sơ đồ thiết bị thấm nitơ thể khí Bảng 3.4. Phơng pháp bảo vệ cục bộ chi tiết trớc khi thấm nitơ ảnh 4.1. Lò thấm OH 15 ảnh 4.2. Lò thấm OH 50 ảnh 4.3. Lò thấm OH 50 - 5 - ảnh 4.4. Lò thấm OH 100 ảnh 4.5. Lò thấm OH 200 ảnh 4.6. Hệ thống thấm nitơ ảnh 4.7. Hệ thống thấm nitơ thể khí đợc lắp tại Bộ môn CNCK ảnh 4.8. Hệ thống điều khiển nhiệt độ ảnh 4.9. Bình chứa khí NH 3 và van giảm áp ảnh 4.10. Lò BH đợc sử dụng làm thí nghiệm ảnh 4.11. Hộp thấm, quạt và phụ kiện ảnh 4.12. Mẫu làm từ thép 20MoCr, C45, 38CrM ảnh 4.13. Mẫu làm từ thép C45 ảnh 4.14. Mẫu làm từ thép 20MoCr Bảng 4.1. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500 o C (T1) của thép C45 Bảng 4.2. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550 o C (T2) của thép C45 Bảng 4.3. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600 o C (T3) của thép C45 Hình 4.1. ảnh hởng của thời gian đến độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45 Hình 4.2. ảnh hởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau của thép C45ảnh 4.15. Tổ chức mẫu 450 Bảng 4.4. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 500 o C (T1) của thép 20MoCr Bảng 4.5. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550 o C (T2) của thép 20MoCr Bảng 4.6. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600 o C (T3) của thép 20MoCr Hình 4.3. ảnh hởng của thời gian đến độ cứng ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr Hình 4.4. ảnh hởng của thời gian đến chiều sâu lớp thấm ở các nhiệt độ khác nhau của thép 20MoCr Bảng 4.7. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 550 o C (T2) của thép 38CrMoA Bảng 4.8. Độ cứng và chiều sâu lớp thấm ở 600 o C (T3) của thép 38CrMoA - 6 - H×nh 4.5. ¶nh h−ëng cña thêi gian ®Õn ®é cøng ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau cña thÐp 38CrMoA H×nh 4.6. ¶nh h−ëng cña thêi gian ®Õn chiÒu s©u líp thÊm ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau cña thÐp 38CrMoA ¶nh 4.15. Tæ chøc mÉu thÐp 20MoCr (200x) (mÉu 001) ¶nh 4.16. Tæ chøc nÒn thÐp 20MoCr (200x) (mÉu 00) ¶nh 4.17. Tæ chøc thÐp 20MoCr ë chÕ ®é 500 o C, 10 giê (200x) (mÉu 05) ¶nh 4.18. Tæ chøc thÐp 20MoCr ë chÕ ®é 550 o C, 8 giê (200x) (mÉu 09) ¶nh 4.19. Tæ chøc thÐp 20MoCr ë chÕ ®é 600 o C, 8 giê (200x) (mÉu 14) ¶nh 4.20. Tæ chøc thÐp C45 ë chÕ ®é 500 o C, 3 giê (200x) (mÉu 102) ¶nh 4.21. Tæ chøc thÐp C45 ë chÕ ®é 550 o C, 5 giê (200x) (mÉu 108) ¶nh 4.22. Tæ chøc thÐp C45 ë chÕ ®é 600 o C, 5 giê (200x) (mÉu 113) ¶nh 4.23. Tæ chøc thÐp 38CrMoA ë chÕ ®é 500 o C, 10 giê (200x) (mÉu 94) ¶nh 4.24. Tæ chøc thÐp 38CrMoA ë chÕ ®é 550 o C, 8 giê (200x) (mÉu 98) ¶nh 4.25.Tæ chøc mÉu 003 (mÉu tham kh¶o) ¶nh 4.26.Tæ chøc mÉu 004 (mÉu tham kh¶o) ¶nh 4.27.Tæ chøc mÉu 009 (mÉu tham kh¶o) - 7 - Mục lục Trang Mở đầu 1 Chơng 1: Tổng quan đề tài . 13 1.1. Tình hình và xu hớng phát triển công nghệ xử lý bề mặt kim loại . 13 1.2. Những nét chung về hoá nhiệt luyện 16 1.2.1. Sự hình thành tổ chức lớp thấm .18 1.2.2. Động học của quá trình thấm .19 1.2.3. Môi trờng thấm .19 1.3. Khái quát chung vế các phơng pháp hoá nhiệt luyện . 20 1.3.1. Thấm cacbon (C) .20 1.3.2. Thấm xyanua .21 1.3.3. Thấm lu huỳnh (S) .22 1.3.4. Thấm bo (B) .22 1.3.5. Thấm crôm (Cr) .22 1.3.6. Thấm nhôm (AI) .23 1.3.7. Thấm silic (Si) 23 1.3.8. Thấm kẽm (Zn) 23 1.3.9. Thấm titan (Ti) .23 1.3.10. Thấm nitơ (N) 24 1.4. Mục đích và yêu cầu của đề tài . 24 Chơng 2: Phơng pháp nghiên cứu . 25 2.1. Phơng pháp nghiên cứu lý thuyết . 25 2.2. Phơng pháp nghiên cứu thực nghiệm . 25 2.3. Xác định và xử lý số liệu thực nghiệm 25 2.4. Phơng pháp kiểm tra . 26 2.4.1. Kiểm tra độ cứng .26 2.4.2. Kiểm tra chiều sâu lớp thấm .29 2.4.3. Kiểm tra tổ chức tế vi của lớp thấm 29 Chơng 3: Nghiên cứu lý thuyết 30 3.1. Cấu tạo kim loại và bản chất mối liên kết trong kim loại . 30 3.1.1. Cấu trúc tinh thể và sự hình thành mạng tinh thể .30 3.1.2. Cấu tạo kim loại .34 3.1.3. Bản chất mối liên kết trong kim loại 39 3.2. Lý thuyết về ăn mòn và mài mòn kim loại . 39 - 8 - 3.2.1. Tìm hiểu chung về ăn mòn và mài mòn kim loại .39 3.2.2. Các quá trình ăn mòn và mài mòn kim loại 40 3.3. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ mòn của kim loại . 41 3.3.1. Các chỉ tiêu định tính 41 3.3.2. Các chỉ tiêu định lợng 41 3.4. Hoá nhiệt luyện . 43 3.4.1. Khái niệm chung .43 3.4.2. Các quá trình hóa nhiệt luyện 44 3.4.3. Cơ sở của hoá nhiệt luyện 46 3.5. Thấm nitơ 54 3.5.1. Nitơ hoá, tổ chức và tính chất của lớp thấm nitơ .54 3.5.2. Thép dùng để thấm nitơ .57 3.5.3. Các phơng pháp thấm nitơ 59 3.5.4. Công dụng của thấm nitơ 65 3.5.5. Các dạng khuyết tật sai hỏng khi thấm nitơ và biện pháp ngăn ngừa .67 Chơng 4: Nghiên cứu thực nghiệm 68 4.1.Thiết bị thấm nitơ 68 4.1.1. Một số hình ảnh của lò thấm nitơ 68 4.1.2. Cấu tạo lò thấm nitơ thể khí đợc sử dụng 71 4.2. Mẫu thí nghiệm 75 4.2.1. Vật liệu chế tạo mẫu .75 4.2.2. Số lợng mẫu thí nghiệm 76 4.3. Kết quả thực nghiệm 76 4.3.1. Thép C45 . Error! Bookmark not defined. 4.3.2. Thép hợp kim . Error! Bookmark not defined. 4.3.3. Thép 20MoCr .83 kết luận và đề nghị 88 1. Kết luận 93 2. Đề nghị 93 Tài liệu tham khảo Error! Bookmark not defined. - 9 - Mở đầu Chất lợng bề mặt của chi tiết máy với các đặc tính nh khả năng chịu mài mòn, độ cứng, chịu nhiệt, chống gỉ, tính trơ hoá học, . có ý nghĩa quyết định đến tuổi thọ và độ tin cậy của chúng vì qua nghiên cứu ngời ta thấy rằng hầu hết các chi tiết máy bị h hỏng bắt đầu từ việc phá huỷ bề mặt ngoài (bị cào xớc, bị mòn, biến dạng bề mặt và thay đổi kích thớc, bị ăn mòn hoá học bề mặt .). Hiện nay việc không ngừng nâng cao năng suất lao động và khai thác tối đa khả năng làm việc của máy móc thiết bị đã tạo ra điều kiện làm việc khắc nghiệt cho các máy, đặc biệt là lớp mặt ngoài của nó phải đợc làm bền bằng những công nghệ mới thích hợp nh làm bền bằng laze, làm bền bằng siêu âm . Mặt khác, nhu cầu sử dụng thiết bị ngày càng nhiều trong khi giá thành chế tạo cao. Do đó, việc tạo nên một lớp kim loại có độ bền cao trên bề mặt chi tiết là cần thiết. Công nghệ xử lý bề mặt kim loại là một trong những công nghệ cơ bản đợc áp dụng rộng rãi trong việc chế tạo các sản phẩm từ phôi kim loại.Nó làm tăng độ bền, bảo vệ chống ăn mòn, trang trí để làm tăng vẻ đẹp và giá trị thơng phẩm cho mỗi sản phẩm đợc hoàn thiện trớc khi xuất xởng. Tuỳ thuộc vào điều kiện của chi tiết, bề mặt kim loại phải có các tính chất cơ- lý- hoá phù hợp nh: độ bền chống mài mòn, chống ma sát, độ bền nhiệt, độ bền chống ăn mòn trong khí quyển và trong các môi trờng hoá chất. ở các nớc phát triển, tuy đầu t cho việc chống ăn mòn ngày càng tăng, các công việc chống ăn mòn ngày càng hiện đại nhng thiệt hại do ăn mòn không vì thế mà giảm đi. Ngựơc lại, nó vẫn không ngừng tăng lên do vật liệu ngày càng đợc sử dụng nhiều, giá trị của vật liệu trong nền kinh tế quốc dân ngày càng lớn và môi trờng ngày càng ô nhiễm. Vì vậy các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn và hạn chế quá trình ăn mòn kim loại đóng vai trò rất quan trọng. Nhất là đối với nớc ta, điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng và ẩm làm cho quá trình ăn mòn kim loại nói chung mãnh liệt hơn. Những năm 90 trong sự tăng trởng kinh tế, nhiều ngành công nghiệp ra đời và phát triển: dầu - 10 - . vào nghiên cứu , thực hiện đề tài: Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy. Yêu cầu thực hiện của đề tài: + Nghiên. dục và đào tạo Trờng Đại học Nông nghiệp I Hoàng Minh Thuận Nghiên cứu ứng dụng thấm nitơ nâng cao chất lợng bề mặt một số vật liệu chế tạo máy Luận văn